Как мозг учился думать

У меня дома живет огромная оливково-серая жаба. Она самый крупный обитатель террариума, поэтому чувствует себя здесь полной хозяйкой, и ее соседи с этим считаются. У жабы в ее стеклянном доме есть любимое место. Здесь она обычно и восседает, устремив в пространство немигающий взгляд. Вечером я протягиваю ей на длинном пинцете червяка. Ни одного движения не возникает у неподвижной фигуры. Кажется, что жаба глубоко задумалась и не замечает предложенного ей лакомства. Но проходит секунда-другая, рот на мгновение открывается, и червяк исчезает в широкой пасти. Жаба делает глотательное движение и опять замирает, устремив в пространство неподвижный взор. Лишь раз в неделю глубокой ночью покидает она свою резиденцию, чтобы немного поразмяться и выкупаться в маленьком бассейне, а под утро возвращается на свое излюбленное место.

Так и коротает жаба дни и ночи. Спит ли она с открытыми глазами, дремлет ли, мечтает ли о чем или, может быть, думает свою неторопливую жабью думу? Но чему посвящены жабьи мысли, да и вообще могут ли они возникать в ее голове? Вопрос этот отнюдь не праздный, как может показаться на первый взгляд. Он давно интересует ученых.

О том, умеют ли думать животные, хотели узнать еще ученые древнего мира, а полтора столетия назад этот вопрос приобрел практическое значение. Именно в это время Чарлз Дарвин, великий английский биолог, решился опубликовать результаты своего исследования, над которым он работал больше двадцати лет. А решиться, действительно, было нелегко. Фундаментальный труд Дарвина, который мы теперь для краткости называем «Происхождение видов», ниспровергал одну из основных догм христианской религии. Церковники с самого зарождения христианства вбивали в головы верующих, что все вокруг нас, в том числе животные и сам человек, были когда-то созданы богом. С тех пор якобы они и живут на Земле, не претерпев никаких изменений.

В молодости Ч. Дарвин принял участие в кругосветном плаванье на экспедиционном судне «Бигл». Во время путешествия он изучал животный мир нашей планеты и собирал зоологические коллекции. Непосредственное столкновение с многообразным удивительным миром живой природы невольно заставило его задуматься над причиной возникновения такого огромного количества внешне мало похожих друг на друга животных. Еще тогда он понял, что миф христианской религии о божественном акте творения несостоятелен. С тех пор он подыскивал одно за другим все новые и новые доказательства того, что существующие в его время животные произошли в результате эволюции от других ранее живших на Земле видов, то есть от совсем примитивных организмов. Такие идеи можно было высказать вслух, только располагая безупречными доказательствами, и Дарвин все двадцать лет упорно работал над своею книгой.

Нам сейчас трудно представить, какую бурю возмущения вызвала книга Ч. Дарвина в церковной среде. Да и не только в церковной! Многие ученые не приняли высказанных в ней идей и тоже обрушились на ее автора. О накале бушевавших тогда страстей можно судить хотя бы по тому, что они окончательно не улеглись и сейчас. До сих пор продолжаются попытки ниспровергнуть учение Дарвина, хотя теперь, на фоне всемерного развития науки, они звучат по меньшей мере смехотворно. Тем не менее в целом ряде штатов США до сих пор запрещено не только преподавание в школах дарвинизма, но даже любое знакомство с ним учащихся. А всего несколько лет назад с целым циклом лекций-проповедей против эволюционного учения выступил по радио глава православной церкви в Америке Иоанн Санфранциский. Он вещал в микрофон, и радиоволны разнесли этот бред по всему миру, о том, что свиньи и ослы, жабы и крокодилы были созданы богом, а вовсе не произошли от более примитивных животных путем постепенной эволюции.

В подтверждение своей правоты высокопоставленный мракобес привел два аргумента. Первое его доказательство носило обобщенный характер: он утверждал, что разные виды животных и растений не могут происходить друг от друга потому, что этого просто быть не может. Второе доказательство было конкретнее. Иоанн утверждал, что от петуха ни в коем случае не удастся получить козла. Данный аргумент по своей беспардонности не уступал первому. Если придерживаться строго научной объективности, придется признать, что новоявленное научное светило не имело права оперировать подобным доказательством, так как никто не пытался получить от петуха козла, да никто и не проверял, возможно ли это, а значит, Иоанн ничем подтвердить свое утверждение не мог. Здравый смысл нам подсказывает, что подобные превращения, действительно, невозможны. Но ведь и сам Дарвин никогда не говорил подобных глупостей.

Спустя десять лет после опубликования своей знаменитой работы Ч. Дарвин подарил миру второе фундаментальное произведение – «Происхождение человека…». В нем он доказывал, что человек имеет общее с животными происхождение и возник, от обезьяноподобного предка. Это было еще большим грехом. Можно сказать, что это подлило масла в огонь и значительно усилило нападки на ученого.

Прогрессивные русские ученые одни из первых в мире приняли дарвинизм и включились в его разработку. Уже через несколько лет после выхода в свет знаменитой книги Ч. Дарвин был избран членом-корреспондентом Российской Академии наук и почетным членом Московского общества испытателей природы. Его роль в развитии биологии была высоко оценена.

С тех пор как дарвинизм вошел в научный обиход, изучение остатков давно вымерших животных и сравнительное исследование существующих в настоящее время организмов приобрели новый смысл. Подобные научные разработки позволяли с большими подробностями изучить, как шла на Земле эволюция животных.

Выдающийся русский ученый-физиолог И.М. Сеченов познакомился с учением Ч. Дарвина вскоре после выхода в свет его трудов. Он первым из физиологов обратил внимание на то, что в процессе эволюции животные не только менялись внешне, претерпевали изменения органы их тела и функции этих органов. Сеченов понял, что, прослеживая, как шла эволюция, как появлялись у животных новые органы, как совершенствовалось их строение и функция у более развитых видов, удается глубже понять устройство и деятельность этих органов у человека. Это очень важно, ведь над человеческим организмом нельзя производить эксперименты. Это было бы не гуманно! Поэтому он советовал своим коллегам все физиологические процессы изучать под углом зрения их исторического развития. Его предначертания удалось реализовать лишь в наши дни. Около тридцати лет назад в Ленинграде под руководством крупнейшего специалиста в области физиологии академика Л.А. Орбели был создан институт, где изучают, как происходили изменения в строении организмов и их жизненно важных органов, как совершенствовались их функции. Недаром институту присвоили имя И.М. Сеченова.

Подобных институтов пока нет нигде в мире. Между тем выполняющиеся там исследования оказались чрезвычайно важными. Русские физиологи никогда не ставили себе задачу изучения именно собаки или каких-либо других животных, кроме сельскохозяйственных. Их конечной целью всегда было познание самого человека. Для этого и проводятся лабораторные эксперименты. А изучение эволюции функций помогает понять, как функционируют органы человеческого тела.

Эволюционный подход в физиологии получил среди ученых нашей страны и за рубежом широкое распространение. При изучении самых сложных органов тела, в том числе нервной системы, он позволяет добиваться наиболее значительных успехов. Именно об изучении мозга и пойдет речь в книге. Здесь будет рассказано о том, как ученые, прослеживая этап за этапом развитие нервной системы от ее появления у совсем примитивных организмов до человекообразных обезьян и человека, исследуют функции мозга разных животных. Это позволило выяснить, как мозг учился думать, и разобраться в особенностях его работы. Сравнивая поведение червей и муравьев, рыб, птиц, обезьян и других существ, удалось понять, в чем заключается различие психических процессов животных и человека. С этими интересными исследованиями и познакомит книга. Прочтя ее, читатель узнает, умеют ли животные думать и какие проблемы их волнуют.

Мозг – самый загадочный и наиболее сложно устроенный орган человеческого тела. Он состоит из более 100 миллиардов нервных клеток, соединенных друг сдругом с помощью своих отростков. Несмотря на то что сотни ученых многих стран мира с помощью обычных и значительно более мощных электронных микроскопов давно изучают строение мозга, досконально разобраться в хаосе хитросплетений нервных волокон пока не удалось.

Еще труднее понять, как работает мозг. Неудивительно, что лет сто – двести назад ученые об этом совершенно ничего не знали. Они даже не представляли, как взяться за такое сложное дело. Многие выдающиеся биологи считали, что функции мозга вообще непознаваемы. Вот почему эту книгу нужно начать с рассказа о первых шагах по изучению функций мозга, о том, как удалось прорваться к его сокровенным тайнам. Тем более что эти выдающиеся открытия всецело принадлежат русской науке. Знакомство с ними поможет понять весь последующий ход изучения развития психики, развития умственных способностей животных.

Восемьдесят лет тому назад Нобелевская премия заслуженно считалась самой высокой оценкой труда ученого.

Среди наших соотечественников первым ею был удостоен Иван Петрович Павлов за многолетний труд по изучению главных пищеварительных желез. В те годы ученые имели самое смутное представление о том, как в желудке и кишечнике переваривается пища. Знали, что есть железы, которые вырабатывают пищеварительные соки, но кто управляет их работой, кто определяет, когда, сколько и какие соки необходимы для переваривания каждого вида пищи, – оставалось тайной.

Годы кропотливой работы понадобились, чтобы разгадать главные секреты процесса пищеварения, над расшифровкой которых безуспешно трудились в лучших университетах Европы и Америки. Чтобы выяснить это, нужно было заглянуть внутрь пищеварительного тракта, и Иван Петрович придумал, как это сделать. Он производил специальные операции – отсоединял от различных отделов кишечника и желудка небольшие участки, изолировал их от остального пищеварительного тракта так, что пища туда попадать уже не могла, а в их стенках проделывал отверстия – фистулы. Чтобы отверстия не зарастали, в них вставлялись фистульные трубки. Теперь в любой момент можно было собирать пищеварительные соки, измерять их количество и, поскольку они не загрязнялись пищей, осуществлять их химический анализ. Сделанные открытия уже начали приносить ощутимые плоды. Врачам стали понятны причины многих форм расстройств пищеварения, и они по-новому начали их лечить. Даже материальное положение лаборатории Павлова улучшилось. Она начала получать доход от продажи желудочного сока, собираемого у собак, так необходимого для лечения некоторых больных. Дополнительные денежные поступления явились немалым подспорьем к скудным средствам, отпускаемым на науку царским правительством.

Казалось бы, главное достижение жизни ученого позади. Теперь можно, используя новые методы, не торопясь, расширять и углублять исследования. Именно так на его месте поступил бы любой другой ученый. Однако, когда король Швеции вручал Павлову диплом и золотую медаль Нобелевского лауреата, мысли ученого были далеки от изучения пищеварения. Ни Густав II, ни многочисленные ученые, съехавшиеся в Каролинский университет, чтобы приветствовать успех русской науки, даже не предполагали, что Павлов уже несколько лет не занимался физиологией пищеварения и даже запретил своим сотрудникам заканчивать начатые работы.

Когда Павлов приехал в Стокгольм, ему шел пятьдесят шестой год, возраст, в котором ученые той эпохи задумывались о пенсии, начинали собираться на покой. Иван Петрович был не таким. Именно в это время его захватило жгучее желание выяснить физиологические механизмы работы мозга, осуществить исследование, на которое не хватило бы жизни и молодого ученого и решиться на которое никто до него не отваживался.

Христианская религия с первых дней своего зарождения старательно внушала верующим, что человеческая психика всецело связана с деятельностью нематериальной божественной души. В XIX – начале XX века в это вepилo даже большинство ученых. Считалось, что все мысли, идеи, намерения, любые наши дела и поступки – это обычные проявления бурной деятельности нашей души.

Материалистически настроенные ученые, естественно, не могли принять столь фантастическое объяснение. Постепенно, еще со времен древних греков, начинало складываться представление, что органом психики является мозг, но о том, что происходит в его недрах, никто не пытался высказать даже осторожного предположения.

Первооткрывателями мозговой деятельности стали русские физиологи. В середине прошлого века великий русский ученый, профессор Петербургского университета И.М. Сеченов опубликовал брошюру «Рефлексы головного мозга». Он давно пришел к выводу, что тайну психической жизни можно раскрыть методами естествознания, и первый сделал попытку представить психические процессы чисто физиологически.

В своем труде он писал, что мысль – всего лишь сложный рефлекс и, как каждый рефлекс, может быть изучена физиологом.

Свои предположения, свое величайшее открытие И.М. Сеченов сумел убедительно обосновать, но приступить к систематическому изучению рефлексов, являющихся основой психических процессов, он не смог. Тогдашняя наука еще не доросла до такого уровня, чтобы можно было осуществить столь грандиозное исследование. Научную эстафету подхватил И.П. Павлов. Он взялся за новые исследования, несмотря на то что большинству ученых, его современников, функции мозга представлялись таинственным, совершенно непознаваемым божественным даром. Вот почему новое направление работы лаборатории Павлова было встречено в научных кругах не только без особого энтузиазма, но даже с явным осуждением.

На первый взгляд переход от изучения пищеварения к мозгу мог показаться совершенно неожиданным. Действительно, какая связь может быть между работой желудочно-кишечного тракта, перевариванием пищи и работой мозга, нашей психической деятельностью. На самом деле связь была. Именно пищеварение натолкнуло Павлова на мысль заняться изучением мозга и подсказало блестящий способ для осуществления этого намерения, без которого проведение нового исследования оказалось бы невозможно.

Еще в период изучения пищеварения сотрудники Павлова встретились с неожиданной трудностью. Обычные опыты состояли в том, что у собаки изучалось количество пищеварительных соков, выделяющихся на определенный вид пищи, и их состав. Опыты были трудоемкие, длились по многу часов подряд. Но стоило проголодавшемуся экспериментатору вынуть бутерброд, как результаты эксперимента заметно менялись. Опыт нарушался, даже если ученые выходили завтракать в другое помещение. Возвращаясь обратно, они приносили на губах и лице, на волосах и одежде слабый запах только что съеденной пищи. У собак

удивительно тонкое обоняние. Бутерброд, лежащий в портфеле, мог исказить результаты эксперимента. Особенно быстро и четко реагировали на посторонние раздражители слюнные железы. Стоило голодной собаке увидеть корочку хлеба, услышать бренчание миски, из которой ее обычно кормили, или шаги служителя, который по окончании опыта уводил ее в виварий, где уже давно ждал обед, и готово – из выведенного на щеку протока железы начинала обильно капать слюна.

Это явление И.П. Пайлов назвал «психическим слюноотделением». Он подметил удивительную особенность: психической секреции нужно учиться. У крохотных, недавно появившихся на свет, щенят ни вид хлеба, ни бряканье миски или шаги служителя, ни даже вид и запах мяса не вызывали выделения слюны. У только что купленной собаки ни служители в виварии, ни ученые в лабораториях никогда не замечали случаев психической секреции. Но стоит маленькому щенку разок отведать мясо или новой собаке походить в лабораторию недельку-другую, и готово, у них начинают капать слюнки, у щенка – при виде мяса, а у взрослой собаки – как только экспериментатор подойдет к шкафу, где хранится пища, которой во время опыта ее подкармливали. Слюноотделение усилится, когда собака услышит скрип открываемой дверцы, увидит миску в руках ученого. В психической секреции Павлова больше всего удивляло то, что выделение слюны вызывала не сама пища как таковая, не только ее вид, исходящий от нее запах, наконец, звуки, сопровождающие ее появление, но даже вид миски, ножа, которым отрезают кусочки мяса, доски, на которой его режут. Выходило, что если экспериментатор во время опыта встал и пошел к шкафу, собака догадывалась, что ее намерены покормить, понимала, что экспериментатор собирается достать мясо, и помнила, что корм хранится именно в шкафу.

Безусловно, психическую секрецию замечали и до Павлова, но этому явлению никто не придавал значения. От него отмахивались как от случайных ошибок эксперимента. Гениальность Павлова была в том, что он сумел правильно оценить значение психической секреции. Павлов догадался, что, с одной стороны, это обычное физиологическое явление, нормальный пищевой рефлекс, такой же как и все другие. С другой стороны – эта секреция одновременно представляет собой и психическое явление. Дело в том, что она в этом случае возникает не под воздействием пищи, как полагается возникать пищевым реакциям, а в результате психических процессов, благодаря тому, что собака догадалась о предстоящем получении пищи, помнила, где она хранится и кто ее кормит. Выходило, что, следя за пищевой секрецией, можно выяснить, что знает собака об окружающем мире, что способна заметить из происходящих вокруг нее событий и как она их воспринимает.

Это удивительное свойство психической секреции, ее двойственность, Павлов и решил использовать, чтобы с помощью физиологических методов изучить работу мозга, его психическую деятельность. Психическую секрецию и подобные ей рефлексы, вырабатывающиесяв процессе обучения Павлов назвал условными, в отличие от безусловных рефлексов, являющихся врожденными, так как они безо всякого обучения передаются по наследству от родителей их детям.

Отличительной чертой условных рефлексов является то, что их образование происходит легко и может осуществиться в течение короткого отрезка времени. Быстрота образования и высокая прочность – важнейшие свойства условных рефлексов. Они возникают в ответ на действие вполне определенных раздражителей. Их называют условными. Другие раздражители, даже очень похожие, вызвать условный рефлекс, как правило, не могут.

Если ситуация, приведшая к образованию условных рефлексов, изменится, они угасают, то есть перестают осуществляться. Перестал экспериментатор подкармливать во время опытов животное, и теперь что бы он ни делал, его действия больше не вызывают выделения у собаки слюны. Угасший условный рефлекс через некоторое время может самопроизвольно восстановиться.

Однако если ситуация к этому времени осталась без изменения, если экспериментатор совершенно перестал кормить собаку, рефлекс угаснет снова и теперь уже окончательно.

Об особенностях образования условных рефлексов речь еще впереди. Изучение этого важнейшего элемента психической деятельности было осуществлено под руководством И.П. Павлова. Три с половиной десятилетия продолжалась работа большого коллектива ученых по изучению физиологии мозга. Исследования в павловских лабораториях проводились главным образом на собаках.

Ученые надеялись, что, исследуя психику собаки, удастся изучить многие особенности работы мозга, общие для человека и животных.

Условный рефлекс – важнейший, основной механизм работы мозга. Изучение особенностей его функционирования очень скоро убедило в этом ученых. Была уверенность, что условные рефлексы вырабатываются не только у собак, но и у многих других четвероногих и пернатых обитателей нашей планеты. Поэтому, изучая развитие мозга различных животных, ученые в первую очередь старались выяснить, образуются ли у них условные рефлексы и какие именно. Легко ли они возникают или с трудом. Иными словами, когда хотят разобраться в особенностях умственного развития животных, выясняют, способны ли они обучаться и чему их можно научить. И.П. Павлов внес весомый вклад в мировую науку сначала своими экспериментами по кровообращению, затем обширными исследованиями по пищеварению и, наконец, созданием специальной науки о функциях мозга. Этим он на весь мир прославил отечественную науку.

Успеху И.П. Павлова во многом способствовали собаки, его основные лабораторные животные. Отдавая дань уважения этим прославленным труженицам науки, в 1936 году по его просьбе в Ленинграде на территории Института экспериментальной медицины под окнами физиологической лаборатории Ивана Петровича установили памятник собаке. На высоком постаменте четыре бронзовых барельефа со сценами из жизни лаборатории, демонстрирующими сообразительность и терпеливость собак.

Крохотные ученики

С чего или, вернее, с кого начать изучение умственных способностей животных? Ну конечно, с самых простых, примитивных одноклеточных организмов. Проще них даже представить что-нибудь трудно. Такое животное состоит из одной-единственной клеточки, заполненной протоплазмой с погруженным в нее клеточным ядром. Многие виды одноклеточных даже не имеют настоящей клеточной оболочки. Нужно ли говорить, что у них нет ни скелета, ни нервной системы, ни лапок, ни ушей, ни глаз. Несмотря на это, многие одноклеточные весьма активные шустрые создания. Одни из них – жгутиконосцы – плавают с помощью длинного подвижного жгутика, находящегося на конце тела и работающего, как гребной винт лодочного мотора. Только двигаются они жгутиком вперед с огромной для своих ничтожных размеров скоростью. Чемпионы среди них за секунду покрывают расстояние в тридцать миллиметров, что в шестьдесят–семьдесят раз превышает длину их тела. Чтобы стало понятно, много это или мало, сравним быстроту их перемещения с движением автомобиля. Максимальная скорость, разрешенная на дорогах нашей страны, – девяносто километров в час, или двадцать пять метров в секунду. Длина легкового автомобиля «Волга» около пяти метров. Значит, за секунду автомобиль проходит расстояние, всего в пять раз превышающее собственную длину. Если бы жгутиконосцы были размером с «Волгу», они за полчаса пробегали бы дистанцию в пятьсот – шестьсот километров, что соответствует расстоянию от Москвы до Ленинграда. Не каждому современному самолету доступна такая скорость.

У инфузорий нет жгутика, зато все тело, как шерсткой, покрыто ресничками. Их около десяти–четырнадцати тысяч! Они работают, как весла. Движения ресничек строго координированы. Их взмахи волнами прокатываются вдоль всего тела миниатюрного существа. Это позволяет инфузориям развивать немалую скорость, покрывая за секунду расстояние, в пять-шесть раз превышающее собственную длину, что соразмерно скорости «Волги».

Амебы умеют ползать. Сначала на их теле появляются маленькие выпячивания. Они быстро растут, превращаясь в длинный отросток. Затем тело амебы переливается в отросток, и она выпускает новый. Так, выпуская отростки и переливаясь в них, амеба энергично ползет по стеклу аквариума или по листу растения.

Некоторые одноклеточные организмы устроены посложнее. На переднем конце тела эвглен через оболочку просвечивают красноватые капельки жира. Они образуют так называемый глазок. Он действительно обладает светочувствительностью. Если аквариум с эвгленами поставить в тень, осветив в нем лишь небольшой участок, все его обитатели, сколько бы их там ни было, соберутся в освещенной части.

Наиболее сложно устроенные одноклеточные существа – инфузории. Кроме многочисленных ресничек на теле инфузории туфельки находится бессчетное количество крохотных отверстий, в которых прячутся стрекательные палочки – трихоцисты. Они представляютсобой длинные полосатые стержни с плотными гвоздеобразными наконечниками. Трихоцисты предназначены для обороны и нападения. Ими животное выстреливает при малейшей опасности. Стоит дотронуться до тела инфузории даже тончайшим волоском, и она ответит на раздражение залпом стрекательных палочек. Видимо, их наконечники, как боевые стрелы индейцев, содержат какое-то ядовитое вещество. Впиваясь в тело обидчика, они не только наносят глубокие раны, но и отравляют их своим ядом. У врагов туфельки, таких же маленьких животных, наступает паралич, а если в тело вонзилось много стрекательных палочек, раненое животное погибает.

На переднем конце тела инфузории находится ротовая впадина, на дне которой видно отверстие, ведущее в глотку. Одна из стенок глотки покрыта пленочкой из слипшихся между собой ресничек. И реснички на стенках впадины и пленочка глотки все время колеблются, загоняя внутрь взвешенные в воде микроорганизмы. Каждые одну-полторы минуты капелька воды с находящимися в ней бактериями втягивается внутрь туфельки и начинает странствовать в ее теле, выполняя функцию временного желудка. Пища переваривается за один–три часа. Полный «желудок» содержит тридцать–сорок бактерий. За сутки инфузория съедает их более сорока тысяч. Вот какие это полезные существа.